Понятие цифро-аналогового преобразования

Классификация АЦП

Исходя из материала, приведённого в данном разделе, АЦП можно классифицировать по рисунку 3.12.

Рисунок 3.12 – Классификация АЦП

Об интегрирующих АЦП можно сказать, что им вследствие операции интегрирования присуще свойство усреднения: заряд, получаемый конденсатором при протекании среднего тока, поступающего на аналоговый вход, сравнивается с зарядом, обеспечиваемым известным образцовым током.

Двухтактные времяимпульсные АЦП и частотно-импульсные АЦП, являясь интегрирующими, вследствие своей структуры и алгоритма работы не реагируют на помеху, попадающую на вход. Для этого при проектировании соблюдаются условия кратности между длительностью прямого интегрирования (в частотно-импульсном – интервала преобразования) и периодом сигнала помехи.

Токовые кодоимпульсные АЦП обладают более высоким быстродействием за счёт использования для обработки параметра «величина тока». Созданы генераторы тока, меняющие величину задающего тока за время 10–20 нс и менее.

Параллельно-последовательные АЦП являются компромиссным вариантом: при приемлемой сложности схемы они обладают большой разрядностью (10–16 разрядов) и не очень большой потерей быстродействия относительно параллельных преобразователей. В них весь преобразователь разбивается на группы: внутри группы идёт параллельное преобразование, а группа за группой работают последовательно.

Преобразователи угловых и линейных перемещений в код с «кодовой маской» реализуют максимальное быстродействие, являясь по сути преобразователями параллельного типа.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) могут применяться как в составе отдельных функциональных звеньев, так и как самостоятельный узел. Классификаций ЦАП существует много. Простейшая из них – это деление на матричные и безматричные. Матричные ЦАП делятся на приведённые ниже группы. Первая из них – с делением напряжения, рисунок 3.13.

Рисунок 3.13 – Кодоуправляемый делитель напряжения

В процессе развития такие кодоуправляемые делители напряжения разбивались на m групп с целью минимизации величины исходных сопротивлений резисторов. Для увеличения точности при их изготовлении увеличивают число групп до значения, равного числу двоичных разрядов, используя схему по рисунку 3.14. Здесь число групп m равно числу двоичных разрядов n. Резисторы имеют два номинальных значения R и 2R.

Рисунок 3.14 – Делитель напряжения типа R-2R

Для такой схемы дискретного делителя напряжения выходное напряжение определяется следующим образом:

(3.10)

где –квант ЦАП; N – число, код которого подается на кодоуправляемый делитель напряжения.

Для этой схемы выходное сопротивление R_вых = R = const. Входное сопротивление изменяется в широких пределах в зависимости от состояния ключей. Показано, что R_{вх min} будет при чередовании состояний (0; 1) в разрядах:

R_{вх min}» 9R / (n + 1). (3.11)

Быстродействие ЦАП лимитируют:

– переходные процессы из-за паразитных ёмкостей и индуктивностей резисторов, соединительных проводов;

–задержки, обусловленные выходом из насыщения транзисторов в переключателях.

Уменьшение величин паразитных ёмкостей и индуктивностей достигается за счёт тонкоплёночных наборов резисторов в виде матриц. Изготавливаются они для ЦАП с использованием взвешенных резисторов, сопротивление которых зависит от номера разряда: R_n = 2^n-mR. Их типы: R–2R– 4R–8R– …; R– 2R. В матрицах номинальная величина R выдерживается с погрешностью несколько процентов, но отношение выдерживается с малой погрешностью, менее 0,01 %. Матрицы выпускаются размерностью до 16 двоичных разрядов в корпусах ИС.

Так как паразитные ёмкости и индуктивности сказываются только при изменении тока через резистор, то надо сделать, чтобы при смене кодов не изменялись токи, протекающие через резисторы. Также увеличивает быстродействие замена активных элементов в переключателях на ненасыщенные (ДБШ, ПТШ, ДБШ + биполярный транзистор). Схему такого преобразователя «код-напряжение» (ПКН) можно представить в виде по рисунку 3.15. Здесь суммирование напряжений заменяется суммированием токов. Для получения токов в разрядах I_i применяются схемы, по своим свойствам приближающиеся к идеальным источникам тока.

Рисунок 3.15 – Преобразователь по параметру «сила тока»

Таким образом, вторая группа матричных ЦАП – токовые ЦАП. Токовый ЦАП со взвешенными резисторами имеет схему, представленную на рисунке 3.16. На инвертирующем входе операционного усилителя (ОУ) напряжение равно нулю, независимо от состояния переключателей. Ток в i - м разряде может быть:

, (3.12)

или I_i = 0 (по коду). Ток , а u_o = –I_åR_oc пропорционально коду N.

Рисунок 3.16 – ЦАП со взвешенными резисторами

Формирование выходного напряжения токового ЦАП производится различными способами, например, приведёнными ниже. При малой С_н и малом u_вых – по рисунку 3.17.

Рисунок 3.17 – ЦАП с малым выходным напряжением

Для большого диапазона выходного напряжения или малых величин R_н и больших C_н применяют схемы по рисунку 3.18.

Рисунок 3.18 – ЦАП с большим выходным напряжением

Для получения большого значения u_вых и увеличенного быстродействия заменяют выходные узлы ОУ. Характеристики ЦАП можно разделить на две группы: динамические и преобразования. Характеристики преобразования даны на рисунке 3.19.

Рисунок 3.19 – Характеристики преобразования ЦАП

На рисунке 3.20 приведены возможные разновидности нелинейности характеристики преобразования ЦАП.

Рисунок 3.20 – Нелинейность характеристики преобразования ЦАП

Ниже на рисунке 3.21 приведены основные динамические параметры ЦАП.

А)Время установления выходного сигнала: время от момента изменения кода на входе от минимального до максимального до момента, когда значение выходного сигнала отличается от установившегося на заданную величину (0,5 ЕМР).

Б)Время задержки распространения: время от момента достижения входным сигналом уровня 0,5 своего значения до момента достижения выходным сигналом уровня 0,5.

В)Время нарастания – время, за которое выходной сигнал изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения.

Д) Время переключения – время от момента изменения входного кода до достижения на выходе уровня 0,9.

Рисунок 3.21 – Основные динамические характеристики ЦАП

Дата добавления: 2014-01-13